电缆系统故障快速恢复中间接头设计

柯德刚， 李华春， 王体才， 赵 洋， 杜成龙，张竟成， 秦 浩， 孙 峰， 宋健瑛

（1.上海永锦电气技术股份有限公司，上海 201619； 2.国网北京市电力公司，北京 100031）

0 引言

我国110 kV 电力电缆输电系统运营长度逐年增加。 2020 年国家电网110 kV 及以上主网电缆运行长度已经达到32835 km，近年年均增长9%；南方电网110 kV 及以上主网电缆运行长度已经达到6625 km，近五年年均增长10%；110 kV 主网电缆的发展为城市发展提供了必备的条件，但是电缆系统在运行过程中，可能发生局部故障，造成断电。 由于电缆敷设在地下，找出故障点及恢复故障都是比较困难的工作。

现在大型城市及部分中型城市的110 kV 电缆一般敷设在地下隧道，因隧道空间有限及电缆排列整齐美观方面的要求，大多数都没有预留故障恢复用电缆。 一旦发生故障，即采取加一段电缆和两个中间接头的方法进行恢复。

在某些特殊情况下，如电缆隧道出现塌方或火灾而导致电缆系统故障，一般采取一段较长的抢修备用电缆替代被塌方或火灾破坏的电缆。

为尽快恢复发生了故障的电缆系统，北京供电公司2017 年开发了国内首套电缆接头快速恢复成套装备［1］（含快速中间接头，其基本结构与组合式中间接头相同）。 武汉大学联合佛山供电局、中南电力设计院、宜昌供电公司设计了一种气体绝缘变电站（GIS）内锥插拔式快速中间接头［2］，其基本结构与GIS 试验仓相同，两套GIS 终端对接。 上海供电公司和普睿司曼介绍了一种将整体预制式中间接头预先套装在一段电缆上面作为快速抢修备用接头［3］，这些快速接头的基本绝缘方式均采用半导电与绝缘橡胶组合应力锥过盈套装在电缆外屏蔽断口控制电场。 组合橡胶应力锥与电缆绝缘贴合界面的间隙必须严格控制，界面的间隙及界面的粗糙度与界面的耐压强度直接相关［4］。

本工作先后设计了几种非组合橡胶应力锥过盈套安装在电缆绝缘上面，用以控制电场的快速抢修接头。 这些产品适用于几种不同的抢修条件，可缩短抢修时间，尽快恢复电力供应，可降低停电对相关居民生活、社会服务及生产经营的影响，减少停电造成的直接损失和间接经济损失。

1 产品简介

根据北京电网的要求设计了第二代A 型快速抢修接头［5］。 北京电网的供电可靠率要求高，故障恢复时间要求短，抢修时间要求控制在3 h 以内，恢复后稳定运行时间至少维持7 d。 （在临时运行的7 d内，塌方或过火的电缆隧道可以被妥善修复，满足长期运行条件的正式电缆及电缆接头也能被妥善敷设安装到位）。

1.1 第二代A 型快速抢修接头设计方案

1.1.1 安装时间

目前，国家电网及南方电网使用的电缆中间接头中，95 %以上为橡胶整体预制式。 这种整体预制式电缆接头的安装时间都比较长，早期一般规定安装时间为48 h，近年来，由于电力建设增长较快，电缆附件安装工作往往安排在电建项目的收尾阶段，多方要求压缩电缆附件的安装时间，但是为保证产品运行质量，110 kV 中间接头的安装时间仍须安排两个工作日，平均安装时间约26 h。 其中，仅电缆校直（加热、冷却）这一道工序的时间就需要12 ～14 h［6］。 另外，为提高界面击穿场强，需要大量时间对电缆进行打磨。 本工作设计的技术方案不考虑对电缆进行加热校直处理，且尽量减少打磨抛光的精细程度。

1.1.2 绝缘结构及材料选择

本工作选择金属应力锥结合绝缘油来替代橡胶预制件，不对电缆绝缘表面进行精细打磨。 绝缘油（硅油和聚异丁烯）作为主要绝缘介质广泛用于户外终端的套管内［7］，但用于中间接头尚未见相关文献报道。

1.2 第二代A 型快速抢修接头结构特点

A 型快速抢修接头的基本结构见图1。

图1 A 型快速抢修接头结构示意图

A 型快速抢修接头基本结构特点：产品由两段金属外壳筒体、两个金属应力锥、一个金属屏蔽管、一个中部绝缘隔板等部件组合。 电缆导体连接方式为可插拔连接，接头内部灌注绝缘油。

金属外壳：起密封、保护作用，外壳的尺寸可相对固定，通过调整金属应力锥及金属屏蔽管的尺寸来适应不同电缆截面。

金属应力锥、金属屏蔽管：起控制接头内的电场分布作用。

绝缘油：灌注时间短，快速实现绝缘作用。

可插拔连接方式：为保证产品的可重复利用，采用弹簧触指［8］，实现导体可插拔连接方式；所用弹簧触指的通流容量额定值为2220 A，与电缆载流量相当（空气中平行敷设的110 kV-800 mm2铜芯电缆的载流量为2150 A）。

环氧绝缘件：具有高绝缘强度。 其中部是用来连接电缆导体的金属屏蔽管，外部将接头盒的外壳在中间部位做了电气上的隔离，使得接头盒可直接作为绝缘接头使用。 当需要直通接头时，可将环氧两边的法兰进行联通。

1.3 第二代B 型快速抢修接头基本结构特点

B 型快速抢修中间接头基本结构见图2。

图2 B 型快速抢修接头结构示意图

B 型快速抢修接头基本结构特点：产品由金属外壳、简化半导电硅橡胶应力锥、尼龙隔板等部件组合。 电缆导体连接方式为螺栓连接、接头内部灌注绝缘油。

螺栓连接方式：采用螺栓连接，实现导体可拆卸连接方式。

无中间环氧绝缘件：仅作为直通接头使用。 体积小，可适用于狭窄的电缆隧道。

1.4 试验条件

仿真模型及仿真条件：110 kV 专用金属应力锥结构，配合800 mm2的XLPE 电力电缆，仿真电压为64 kV 及160 kV。

仿真电压为64 kV 时，最高场强集中在电缆外半导电屏蔽层断口处，为5.6 kV·mm-1，金属屏蔽罩上的最高场强为2.02 kV·mm-1，金属应力锥内表面最大场强为2.0 kV·mm-1；仿真电压为160 kV 时，仿真结果如图3～图6 所示。

图3 接头整体电位分布仿真图

图4 屏蔽电极与隔板处电位分布仿真图

图5 金属应力锥与屏蔽断口处电位分布仿真图

图6 电缆与油界面合成场强曲线

由图可知，产品内部的电位分布合理；图6 显示电缆与绝缘油界面的EFX（电场强度x方向分量的曲线），EFY（电场强度y方向分量的曲线） 及EFSUM（和值场强）均分布合理，满足实际技术要求。

2 电气测试、试用情况及产品鉴定

2.1 电气测试

产品进行电气测试。 先通过了相关验证试验：2.5U0耐受60 min、1.5U0无局部放电；后通过2.5U0360 h 工频耐压试验。

根据部分用户提出将快速接头作为永久使用产品的需求，按照GB／T 11033 标准规定的型式试验项目进行试验，并通过了全系列试验。

2.2 产品试用情况

2019 年7 月产品在北京供电公司地下高压电缆隧道进行了实地演练，通过电缆隧道现场实地演练，验证了第二代快速抢修接头的抢修时间比第一代快速接头缩短了50%，效果良好。

2.3 产品鉴定

2019 年7 月，中国机械联合会组织全国电缆系统专家对快速接头给出鉴定意见：该产品采用金属应力锥和绝缘油配合，结构简单、安装便利，可实现故障线路的快速恢复，并可作为备品备件重复使用。

2.4 产品应用评估

2020 年10 月，中国电科院对研发的A 型及B型快速抢修接头给出评估意见：采用绝缘油替代了传统快速组装接头的交联聚乙烯绝缘，提供了更高的绝缘稳定性，降低了局部放电的强度，可将故障抢修时间控制在2 h 内，有效提升电缆线路故障应急处置效率，实现快速供电恢复，降低电缆线路故障带来的经济损失和负面的社会影响。

3 快速抢修接头产品改进

改进研发了C 型快速抢修接头，其应用面广泛，产品基本结构见图7。

图7 C 型抢修接头基本结构示意图

C 型快速接头基本结构特点：产品与A 型抢修接头的结构基本相同，电缆导体连接方式为可插拔连接、接头内部灌注绝缘油或绝缘硅橡胶。 金属外壳、金属应力锥、金属屏蔽管、结构也与A 型快速抢修接头相同（增加了数量）。

C 型快速抢修接头不同于A 型快速抢修接头及B 型快速抢修接头的特点是：增加了一段金属外壳，可以适用于电缆故障后连接余量不够的情况，（这种条件下使用A 型或B 型快速抢修接头都要增加一段电缆、要安装两套接头）。 另外一个特点是：如果抢修时间紧迫，灌绝缘油可实现快速恢复通电。如果时间允许，可选择灌RTV，等RTV 固化后通电运行，采用这种安装方式接头可以长期使用，不用再次更换。 该安装方式适用于多种不同电缆敷设通道，应用场所广泛。

4 结束语

为提高故障电缆输电线路的抢修速度，在最短时间内恢复主网电缆系统的供电能力，本工作研发了主网电缆故障快速恢复油浸式接头（A 型及B 型快速抢修接头）。 该产品利用了液体绝缘原理，使得安装步骤大为简化，可把产品抢修时间缩减到2 h以内，使主网电缆系统在故障后能够及时恢复供电。

其后又设计了应用范围广泛的延长型可选择永久使用的C 型快速接头。

该系列快速抢修接头产品可以应用于多种电缆敷设环境，已经被列为北京供电公司大型城市高压电缆网火灾感知和处置关键技术。 各大中城市的主网供电电缆系统发生故障时均可选择采用。